近日，兰州大学吴威教授和安钧鸿教授团队在量子热力学领域取得了重要进展，相关研究成果以题为“Generalized Quantum Fluctuation Theorem for Energy Exchange”发表在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》[Phys. Rev. Lett. 133, 050401 (2024)]上。

作为当今蓬勃发展的量子科技的重要分支，量子热力学旨在通过从量子力学角度理解能量、信息和熵之间的关系来重构热力学，并通过利用量子效应设计性能优于经典热机的量子热机，以期变革性地提高能源转化与使用效率。如何从量子力学角度定义热力学量，如包括功和热在内的能量交换，并理解它们由热涨落和量子涨落引起的非平衡随机性统计，不仅是构建量子热力学框架的前提，也是开发量子热机的迫切要求。以前研究发现量子热服从Jarzynski-Wójcik涨落定理。但该定理是建立在系统-环境弱耦合近似基础上的，因此，它不仅不能完备地描述量子系统涌现的丰富热交换现象，而且也无法刻画非平衡量子热机的效率性能。

量子系统与环境耦合示意图

子系统与环境能量交换的广义量子涨落定理

针对这一问题，该团队建立了一个适用于任意耦合强度的能量交换广义量子涨落定理，并以此发现了量子系统平均能量交换的丰富非平衡特性。该结果提供了一项量子热的全面研究，深化了量子热力学的研究范畴。研究所揭示的通过引入有效温度恢复细致平衡来建立广义量子涨落定理的策略有望成为强耦合量子热力学的典型方法。研究结果也展示出通过优化非平衡能量交换可以为量子热机提供广阔的性能提升空间。该项工作也是本团队继2024年2月在《Physical Review Letters》发表量子电池的工作[Phys. Rev. Lett. 132, 090401 (2024)]后，在量子热力学领域取得的另一重要成果。

兰州大学物理学院吴威教授为本文第一作者，安钧鸿教授为通讯作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金和国家科技重大专项的资助。